KR102289173B1 - Apparatus and method for the analysing vibration stability of pipe - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치는 배관의 설계정보를 추출하는 추출부, 상기 설계정보를 이용하여 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하는 비교부, 및 상기 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석하는 분석부를 포함한다.An apparatus for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention compares the kinetic energy required for vibrating the pipe with the kinetic energy according to the turbulence of the pipe using the extraction unit for extracting design information of the pipe, and the design information a comparison unit, and an analysis unit analyzing the vibration stability of the pipe based on the result of the comparison.
Description
본 발명은 배관의 진동 안정성 분석 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 진동 기준을 에너지 단위로 변환하여 배관의 진동 상태를 예측 및 검증하기 위한 배관의 진동 안정성 분석 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for analyzing vibration stability of a pipe, and to an apparatus and method for analyzing vibration stability of a pipe for predicting and verifying the vibration state of a pipe by converting a vibration standard into an energy unit.
배관은 다양한 요인에 의하여 진동에 대한 영향을 받고 있다. 특히, 발전소용 터빈, 펌프, 보일러 등과 같이 유체의 상태변화나 운동에너지를 발생시키는 기기가 운전될 때 배관의 진동 발생 여부에 큰 영향을 미친다.Piping is affected by vibration by various factors. In particular, when a device that generates kinetic energy or a change in state of a fluid such as a turbine for a power plant, a pump, or a boiler is operated, it has a great influence on whether or not vibration of the pipe is generated.
이러한 배관의 진동을 분석하는 방법으로, EI(Energy Institute) 가이드라인의 LOF(Likelihood of Failure) Assessment가 있다.As a method of analyzing the vibration of such a pipe, there is LOF (Likelihood of Failure) Assessment of EI (Energy Institute) guidelines.
LOF Assessment는 LOF 수치에 따라 진동 안정성을 판단하는 방법으로 실제 배관의 형상, 무게를 고려하지 않기 때문에 분석 정확도가 낮은 단점이 있다. 또한, 수 많은 작업시간이 소요되기 때문에 경제성 및 효율성을 고려하여 설계 단계에서 적용하기가 불가능하다. 이에 따라, 설비 운전 시 진동 관련 현안들이 지속적으로 발생하고 있는 실정이다.LOF Assessment is a method of judging vibration stability according to the LOF value, and since it does not consider the shape and weight of the actual pipe, the analysis accuracy is low. In addition, since it takes a lot of work time, it is impossible to apply it at the design stage in consideration of economic feasibility and efficiency. Accordingly, issues related to vibration during facility operation are continuously occurring.
관련 선행기술로는, 한국 등록특허공보 제10-1097414호(발명의 명칭: 배관진동 평가방법, 공고일자: 2011년 12월 23일)가 있다.As a related prior art, there is Korean Patent Registration No. 10-1097414 (Title of the Invention: Pipe Vibration Evaluation Method, Announcement Date: December 23, 2011).
본 발명의 일 실시예는 산업기준으로 적용되는 허용 변위, 진동 주기와 같은 진동 기준을 에너지 단위로 변환하고 진동 에너지에 관한 수식을 적용함으로써 진동 안정성을 예측 및 검증하기 위한 배관의 진동 안정성 분석 장치를 제공한다.An embodiment of the present invention converts vibration standards such as allowable displacement and vibration period applied as industrial standards into energy units and applies a formula related to vibration energy to predict and verify vibration stability of a pipe. to provide.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and another problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치는 배관의 설계정보를 추출하는 추출부, 상기 설계정보를 이용하여 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하는 비교부, 및 상기 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석하는 분석부를 포함한다.An apparatus for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention compares the kinetic energy required for vibrating the pipe with the kinetic energy according to the turbulence of the pipe using the extraction unit for extracting design information of the pipe, and the design information a comparison unit, and an analysis unit analyzing the vibration stability of the pipe based on the result of the comparison.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 비교부는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교할 수 있다.In addition, the comparator according to an embodiment of the present invention may compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe based on an allowable vibration threshold.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분석부는 하기 수학식 1에 기초하여, 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 큰 경우, 상기 배관의 진동상태가 불안정적인 것으로 분석할 수 있다.In addition, the analysis unit according to an embodiment of the present invention, based on Equation 1 below, when the kinetic energy due to the turbulence of the pipe is greater than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, It can be analyzed that the vibration state of the pipe is unstable.
[수학식 1][Equation 1]
α(kf/kpi) > 1, when 0 Hz < fi < 50 Hzα(k f /k pi ) > 1, when 0 Hz < f i < 50 Hz
여기서, kf는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지이고, kpi는 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지이고, α는 보정계수를 의미함.Here, k f is the kinetic energy according to the turbulence of the pipe, k pi is the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, and α is the correction factor.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있고, 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.In addition, the kinetic energy according to the turbulence of the pipe according to an embodiment of the present invention can be expressed by Equation 2 below, and the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold is expressed by Equation 3 below can indicate
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기서, u'는 난류의 파동 속도의 제곱 평균이고, U는 상기 배관의 내부 유체의 축 방향 평균 속도이고, mf는 난류의 흐름에 따른 단위질량이고, Re는 레이놀즈 상수를 의미하고, ml은 상기 배관의 단위 길이 당 질량이고, ωi는 i번째 진동모드의 고유 진동 주파수이고, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, θi는 상기 배관의 진동에 따른 변위를 나타내도록 단위 표준화된 진동 벡터를 의미함.Here, u' is the mean square of the wave velocity of the turbulent flow, U is the average axial velocity of the internal fluid of the pipe, m f is the unit mass according to the flow of the turbulent flow, Re is the Reynolds constant, and m l is the mass per unit length of the pipe, ω i is the natural vibration frequency of the i-th vibration mode, δ i is a scaling-dependent variable representing the allowable displacement according to the i-th vibration frequency, and θ i is the vibration of the pipe. It means the unit normalized vibration vector to represent the displacement.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 방법은 배관의 설계정보를 추출하는 단계, 상기 설계정보를 이용하여 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하는 단계, 및 상기 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention includes the steps of extracting design information of the pipe, kinetic energy according to the turbulence of the pipe using the design information, and kinetic energy required to vibrate the pipe Comparing the , and analyzing the vibration stability of the pipe based on the result of the comparison.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 비교하는 단계는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교할 수 있다.In addition, the comparing step according to an embodiment of the present invention may compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe based on an allowable vibration threshold.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분석하는 단계는 하기 수학식 1에 기초하여, 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 큰 경우, 상기 배관의 진동상태가 불안정적인 것으로 분석할 수 있다.In addition, in the analyzing step according to an embodiment of the present invention, based on Equation 1 below, the kinetic energy according to the turbulence of the pipe is greater than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold. In this case, it can be analyzed that the vibration state of the pipe is unstable.
[수학식 1][Equation 1]
α(kf/kpi) > 1, when 0 Hz < fi < 50 Hzα(k f /k pi ) > 1, when 0 Hz < f i < 50 Hz
여기서, kf는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지이고, kpi는 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지이고, α는 보정계수를 의미함.Here, k f is the kinetic energy according to the turbulence of the pipe, k pi is the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, and α is the correction factor.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있고, 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.In addition, the kinetic energy according to the turbulence of the pipe according to an embodiment of the present invention can be expressed by Equation 2 below, and the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold is expressed by Equation 3 below can indicate
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기서, u'는 난류 속도 변동의 제곱 평균이고, U는 상기 배관의 내부 유체의 축 방향 평균 속도이고, mf는 난류의 흐름에 따른 단위질량이고, Re는 레이놀즈 상수를 의미하고, ml은 상기 배관의 단위 길이 당 질량이고, ωi는 i번째 진동의 고유 진동 주파수이고, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, θi는 상기 배관의 진동에 따른 변위를 나타내도록 단위 표준화된 진동 벡터를 의미함.Here, u' is the mean square of fluctuations in the turbulence velocity, U is the average velocity in the axial direction of the fluid inside the pipe, m f is the unit mass according to the turbulent flow, Re is the Reynolds constant, and m l is is the mass per unit length of the pipe, ω i is the natural vibration frequency of the i-th vibration, δ i is a scaling-dependent variable representing the allowable displacement according to the i-th vibration frequency, and θ i is the displacement according to the vibration of the pipe It means the unit standardized vibration vector to represent .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시운전 단계에서 진동에 관한 현안이 발생한 후에 알 수 있었던 진동 발생 여부를 설계 단계에서부터 운전 조건과 실제 배관의 데이터를 함께 이용하여 반영함으로써, 신뢰 높은 분석 결과를 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain a reliable analysis result by reflecting whether or not vibration occurred, which was known after a vibration related issue occurred in the trial run stage, by using the operating conditions and actual piping data together from the design stage. can
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배관에 발생되는 진동의 잠재적 위험을 사전에 예측 및 제거하여 운전 단계에서 진동으로 인해 발생하는 사고를 미연에 방지함으로써 비용 및 시간에 관한 잠재적 손실을 예방할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to prevent potential losses in terms of cost and time by predicting and removing the potential risk of vibration generated in the pipe in advance to prevent accidents occurring due to vibration in the operation stage in advance. there is.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 고유 주파수에 따른 진동 모드에 대한 배관의 모델링 샘플을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 배관의 진동 안정성을 분석한 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.1 is a block diagram illustrating an apparatus for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a modeling sample of a pipe for a vibration mode according to a natural frequency according to an embodiment of the present invention.
3 is a table analyzing the vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 고유 주파수에 따른 진동 모드에 대한 배관의 모델링 샘플을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 배관의 진동 안정성을 분석한 표이다.1 is a block diagram illustrating an apparatus for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a modeling of a pipe for a vibration mode according to a natural frequency according to an embodiment of the present invention It is a view showing a sample, and FIG. 3 is a table analyzing the vibration stability of a pipe in an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치는 추출부(110), 비교부(120) 및 분석부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , an apparatus for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention may include an extraction unit 110 , a comparison unit 120 , and an analysis unit 130 .
추출부(110)는 진동 안정성 분석의 대상이 되는 배관의 설계정보를 추출한다.The extraction unit 110 extracts design information of a pipe to be subjected to vibration stability analysis.
즉, 추출부(110)는 배관에서 발생되는 진동의 안정성을 사전에 분석하기 위해 실제 배관의 설계정보를 미리 추출할 수 있다.That is, the extraction unit 110 may extract in advance the design information of the actual pipe in order to analyze in advance the stability of the vibration generated in the pipe.
일반적으로, 배관의 진동 상태를 측정하는 경우에는 진동이 발생되고 난 후의 관련 데이터를 이용하기 때문에 원인 분석을 위한 참고 정보로 사용하였다. 또한, 실제 배관의 이론 데이터가 아닌 경험적 혹은 확률적 데이터를 반영하기 때문에 분석 정확도가 떨어질 수 밖에 없다. In general, when measuring the vibration state of a pipe, it is used as reference information for cause analysis because related data after vibration is used. In addition, since it reflects empirical or probabilistic data rather than theoretical data of actual piping, analysis accuracy is inevitably lowered.
그러나, 본 발명에서는 설계 단계에서부터 운전조건과 실제 배관의 데이터를 함께 이용함으로써 신뢰할 수 있는 분석 결과를 획득할 수 있는 것이다.However, in the present invention, reliable analysis results can be obtained by using both operating conditions and actual piping data from the design stage.
예컨대, 추출부(110)는 배관의 형상, 길이, 단면적, 두께, 질량, 외부 온도 등에 관한 수치정보를 추출할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 배관과 관련된 다양한 설계정보를 추가로 추출할 수 있다.For example, the extraction unit 110 may extract numerical information regarding the shape, length, cross-sectional area, thickness, mass, external temperature, etc. of the pipe. However, the present invention is not limited thereto, and various design information related to piping may be additionally extracted.
비교부(120)는 설계정보를 이용하여 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 배관을 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교한다.The comparison unit 120 compares the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold using the design information.
본 발명에서는, 배관의 진동 기준을 난류라는 유체 흐름을 고려한 에너지 관점에서 접근하여 분석에 활용 하였다. 다시 말해, 진동 허용 변위, 진동 주기, 진동 속도와 같이 산업 전반에서 적용되는 허용 가능한 진동 기준을 배관의 난류 운동 에너지에 관한 수식으로 변환하여 분석에 적용 하였다.In the present invention, the vibration standard of the pipe was approached from the energy point of view considering the fluid flow called turbulence and used for analysis. In other words, the allowable vibration standards applied throughout the industry, such as the allowable vibration displacement, vibration period, and vibration speed, were converted into equations for the turbulent kinetic energy of the pipe and applied to the analysis.
구체적으로, 비교부(120)는 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 허용되는 진동 임계치를 초과하여 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교할 수 있다.Specifically, the comparator 120 may compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe exceeding an allowable vibration threshold.
이는, 진동 발생의 기준인 진동 임계치를 초과하는 에너지가 배관에 발생하면 배관 손상을 일으킬 수 있는 수준의 진동이 발생한다는 것을 고려한 것이며, 진동 임계치는 사전에 설정될 수 있다.This is considering that, when energy exceeding the vibration threshold, which is a standard for vibration generation, is generated in the pipe, a level of vibration that may cause pipe damage is generated, and the vibration threshold may be set in advance.
비교부(120)는 진동 해석 프로그램을 이용하여 해당 배관 시스템에서 발생 가능한 다양한 고유 진동 주파수들을 산출함으로써 배관 파손을 일으킬 수 있는 수준의 진동을 발생시키기 위한 운동 에너지를 여러 모드에서 측정한다.The comparator 120 measures kinetic energy for generating vibrations at a level that may cause pipe damage in various modes by calculating various natural vibration frequencies that may occur in the corresponding piping system using a vibration analysis program.
이에 따라, 비교부(120)는 발생 가능한 여러 고유 진동 모드에 의해 계산된 허용 가능한 수준의 운동 에너지를 배관 내 난류 운동 에너지와 각각 비교하는 시뮬레이션 과정을 수행할 수 있다.Accordingly, the comparator 120 may perform a simulation process of comparing the allowable level of kinetic energy calculated by the various natural vibration modes that may be generated with the turbulent kinetic energy in the pipe, respectively.
분석부(130)는 하기 수학식 1에 기초하여, 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 큰 경우, 배관의 진동상태가 불안정적인 것으로 분석할 수 있다.The analysis unit 130 analyzes that the vibration state of the pipe is unstable when the kinetic energy according to the turbulence of the pipe is greater than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold based on Equation 1 below. can do.
반면에, 분석부(130)는 하기 수학식 1에 기초하여, 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 작은 경우, 배관의 진동상태가 안정적인 것으로 분석할 수 있다.On the other hand, based on Equation 1 below, when the kinetic energy according to the turbulence of the pipe is less than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, the analysis unit 130 determines that the vibration state of the pipe is stable. can be analyzed as
[수학식 1][Equation 1]
α(kf/kpi) > 1, when 0 Hz < fi < 50 Hzα(k f /k pi ) > 1, when 0 Hz < f i < 50 Hz
여기서, kf는 배관의 난류에 따른 운동 에너지이고, kpi는 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동 시키기 위해 필요한 운동 에너지이고, α는 보정계수를 의미한다.Here, k f is the kinetic energy according to the turbulence of the pipe, k pi is the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, and α is the correction factor.
구체적으로, α는 두 운동 에너지를 비교하기 위해 설정되는 보정계수로서 α = afi + b 를 만족할 수 있으며, 본 발명에서는 a 계수값이 0.0012를 가지고 b 계수값이 0.0105를 가지는 것이 바람직하다.Specifically, α is a correction coefficient set to compare two kinetic energies, and may satisfy α = af i + b. In the present invention, it is preferable that the a coefficient value has a value of 0.0012 and the value of the b coefficient has 0.0105.
배관의 난류에 따른 운동 에너지는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있고, 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.The kinetic energy according to the turbulence of the pipe may be expressed by Equation 2 below, and the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold may be expressed by Equation 3 below.
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기서, u'는 난류의 파동 속도의 제곱 평균이고, U는 배관의 내부 유체의 축 방향 평균 속도이고, mf는 난류의 흐름에 따른 단위질량이고, Re는 레이놀즈 상수를 의미하고, ml은 배관의 단위 길이 당 질량이고, ωi는 i번째 진동의 진동 주파수이고, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, θi는 배관의 진동에 따른 변위를 나타내도록 단위 표준화된 진동 벡터를 의미한다.where u' is the mean square of the wave velocity of the turbulent flow, U is the average axial velocity of the fluid inside the pipe, m f is the unit mass according to the flow of the turbulent flow, Re is the Reynolds constant, and m l is is the mass per unit length of the pipe, ω i is the oscillation frequency of the ith oscillation frequency, δ i is the scaling-dependent variable representing the allowable displacement according to the i th oscillation frequency, and θ i is the displacement according to the oscillation of the pipe. It means the unit standardized vibration vector.
수학식 2와 관련하여, 난류의 파동 속도의 제곱 평균을 의미하는 u'는 하기 수학식에 의해 도출될 수 있다.Referring to Equation 2, u', which means the mean square of the wave velocity of the turbulence, can be derived by the following Equation.
수학식 3과 관련하여, 배관을 진동시키기 위한 운동 에너지는 하기 수학식에 의해 i번째 진동 모드를 배관 길이에 따라 적분하고 배관의 질량을 곱하여 도출될 수 있다.Referring to Equation 3, the kinetic energy for vibrating the pipe may be derived by integrating the i-th vibration mode according to the pipe length and multiplying the mass of the pipe by the following equation.
난류에 따른 운동 에너지는 난류 강도의 스케일링 법칙에 관한 하기 수학식 4에 기초하여 도출될 수 있다.Kinetic energy according to turbulence may be derived based on
[수학식 4][Equation 4]
여기서, Isp는 상기 배관의 난류 강도이고, Redh는 상기 배관의 수력학적 직경이 반영된 레이놀즈 상수를 의미한다.Here, I sp is the turbulence intensity of the pipe, and Re dh is the Reynolds constant reflecting the hydraulic diameter of the pipe.
배관 내 유체의 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로서 두 힘의 상대적인 중요도를 정량적으로 나타내는 레이놀즈 수를 고려하여 난류 강도의 스케일링 법칙이 도출될 수 있다.The scaling law of turbulence intensity can be derived by considering the Reynolds number, which quantitatively represents the relative importance of the two forces as the ratio of the force due to the inertia of the fluid in the pipe and the force due to the viscosity.
이렇게 도출된 난류 강도의 스케일링 법칙에 관한 수학식 4와 난류의 파동 속도에 관한 수학식을 이용하여 난류에 따른 운동 에너지가 도출될 수 있다.The kinetic energy according to the turbulence can be derived using
배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 5에 기초하여 스케일링 과정을 수행함에 따라 도출될 수 있다.Kinetic energy required to vibrate the pipe may be derived by performing a scaling process based on
[수학식 5][Equation 5]
δi = 0.381*(fi)-0.514 (mm)δ i = 0.381*(f i ) -0.514 (mm)
여기서, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, fi는 고유 진동수를 의미한다.Here, δ i is a scaling-dependent variable representing an allowable displacement according to the i-th vibration frequency, and f i means a natural frequency.
본 발명에서는, 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 난류에 따른 운동 에너지와 통일된 에너지 단위로서 비교하기 위해 스케일링 작업을 수행한다.In the present invention, a scaling operation is performed to compare the kinetic energy required for vibrating the pipe with the kinetic energy according to the turbulence as a unified unit of energy.
수학식 5에 의해 스케일링 된 후의 진동 모드들에 대한 진동 변위는 δ1θ1, δ2θ2, δ3θ3, …, δnθn과 같이 고유 진동수에 따라 허용 가능한 진동 벡터(δiθi)로 나타낼 수 있으며, 각각 i번째 모드에 대하여 배관의 변위를 나타내되 최대 변위는 각 진동 주파수 내에서 허용 가능한 변위를 의미한다.The vibration displacements for vibration modes after scaling by
참고로, 진동 해석 프로그램을 이용하기 위한 배관의 모델링 샘플은 도 2에서와 같이 나타낼 수 있다.For reference, a modeling sample of a pipe for using a vibration analysis program may be shown as in FIG. 2 .
결과적으로, 비교부(120)가 하기 수학식 6에 의해 두 운동 에너지를 비교할 수 있고, 분석부(130)가 그에 따른 비교 결과를 분석할 수 있는 것이다.As a result, the comparison unit 120 may compare the two kinetic energies according to
[수학식 6][Equation 6]
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 (α.kf/kpi)>1인 제1 조건과 LOF>1인 제2 조건에 해당되는 진동모드에 대하여 보정계수(α)를 설정하였다.Meanwhile, as shown in FIG. 3 , in the present invention, the correction coefficient α is set for the vibration mode corresponding to the first condition in which (α.kf/kpi)>1 and the second condition in which LOF>1.
즉, 기존의 LOF(Likelihood of Failure Assessment)에 따른 계산결과는 고유 진동수(서포트 간 거리와 배관 직경만 고려한 결과값)를 구간화하기 때문에, 진동수가 달라지더라도 특정 구간에서는 동일한 값만 측정되는 반면에, α.kf/kpi 조건을 함께 고려한 계산결과는 진동수를 구간화하여 산출하는 것이 아닌 모든 개별 고유 진동수(상용 프로그램의 시뮬레이션을 통해 얻은 결과값)를 그대로 반영하고 진동의 형상 및 하중요소까지 함께 반영하기 때문에 보다 정확하고 세분화된 진동 안정성 평가 결과를 얻을 수 있다.In other words, since the calculation result according to the existing LOF (Likelihood of Failure Assessment) divides the natural frequency (the result considering only the distance between supports and the pipe diameter), only the same value is measured in a specific section even if the frequency is different, whereas , α.kf/kpi conditions are considered together, and the calculation result is not calculated by dividing the frequency, but reflects all individual natural frequencies (results obtained through simulation of commercial programs) as it is, and the shape of vibration and load factors are also reflected. Therefore, more accurate and detailed vibration stability evaluation results can be obtained.
구체적으로, LOF에 따른 계산은 배관 지지대의 간격만 고려하여 고유 진동수를 구하는 것으로 실제 배관의 형상 및 하중과 상관없이 고유 진동수에 의해서만 진동 안정성 여부가 분석되는 반면에, α.kf/kpi 조건을 함께 고려한 에너지 계산은 고유 진동수가 높더라도 진동의 발생 위치에 따라 상대적으로 불안정하다는 결과를 나타낼 수 있으며 이는 실제 배관의 형상과 하중을 함께 고려함으로써 진동의 영향력을 보다 정확하게 분석할 수 있음을 의미한다.Specifically, the calculation according to the LOF calculates the natural frequency by considering only the spacing of the pipe support. The energy calculation considered may result in relatively unstable results depending on the location of the vibration even if the natural frequency is high, which means that the impact of vibration can be analyzed more accurately by considering the actual pipe shape and load together.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, LOF 값은 고유 진동수가 낮아지는 경우 LOF 계산식에서 정하고 있는 진동수 구간에 따라 비례하여 높아지는 것을 알 수 있다. 그러나, α.kf/kpi 값은 고유 진동수가 높은 진동모드에서도 상대적으로 높은 값을 가지는 것으로 확인됨에 따라, 고유 진동수가 높더라도 실제 배관의 형상 및 하중요소를 고려하여 진동이 취약한 위치에서의 진동 발생 시 불안정하다는 분석 결과가 나올 수 있음을 보여준다. 한편, 도 3에서의 분석 결과는 다양하게 발생할 수 있는 진동모드 중 하나의 모드에 관한 것으로, 진동모드의 발생위치에 따라 각 계산값은 변동될 수 있다.For example, as shown in FIG. 3 , when the natural frequency decreases, it can be seen that the LOF value increases proportionally according to the frequency section defined in the LOF calculation formula. However, as it is confirmed that the α.kf/kpi value has a relatively high value even in a vibration mode with a high natural frequency, even if the natural frequency is high, vibration occurs at a location where vibration is weak in consideration of the actual pipe shape and load factor It shows that the analysis result that the time is unstable can come out. On the other hand, the analysis result in FIG. 3 relates to one of the vibration modes that may occur in various ways, and each calculated value may be changed according to the generation position of the vibration mode.
참고로, LOF 및 kf 계산 시 사용된 유체조건은 다음과 같다.For reference, the fluid conditions used for calculating LOF and k f are as follows.
8인치 탄소강 표준두께(8.18mm) 배관 내 유체특성이 -140 화씨온도의 -250 psi 기압에서 유량속도가 -6 fps이며, 물 부피 계수가 -313000 psi 기압인 조건(8" CS Std Wall; Fluid Properties: -250 psi ＠ 140℉ Flow, Velocity -6 fps and Water Bulk Modulus -313000 psi).8" CS Std Wall; Fluid with standard 8" carbon steel thickness (8.18mm) pipe with fluid properties of -140 degrees Fahrenheit and -250 psi atm, flow rate of -6 fps and water volume coefficient of -313000 psi atm (8" CS Std Wall; Fluid Properties: -250 psi @ 140°F Flow, Velocity -6 fps and Water Bulk Modulus -313000 psi).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method for analyzing vibration stability of a pipe according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 4를 참조하면, 단계(S110)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치(100)의 추출부(110)는 배관의 설계정보를 추출할 수 있다.1 and 4 , in step S110 , the extraction unit 110 of the
다음으로, 단계(S120)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치(100)의 비교부(120)는 설계정보를 이용하여 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교할 수 있다.Next, in step S120 , the comparator 120 of the
다음으로, 단계(S130)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 진동 안정성 분석 장치(100)의 분석부(130)는 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석할 수 있다.Next, in step S130 , the analysis unit 130 of the
배관의 난류에 따른 운동 에너지와 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하기 위해 사용되는 관련 수학식은 본 발명의 배관의 진동 안정성 분석 장치의 비교부(120)에 관한 설명에서 명시된 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하고자 한다.The related equation used to compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe and the kinetic energy required to vibrate the pipe is the same as specified in the description of the comparison unit 120 of the vibration stability analysis device of the pipe of the present invention, so detailed Description will be omitted.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although specific embodiments according to the present invention have been described so far, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, although the present invention has been described with reference to the limited examples and drawings, the present invention is not limited to the above examples, which are various modifications and variations from these descriptions by those skilled in the art to which the present invention belongs. Transformation is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only by the claims described below, and all equivalents or equivalent modifications thereof will fall within the scope of the spirit of the present invention.
100 : 배관의 진동 안정성 분석 장치
110 : 추출부
120 : 비교부
130 : 분석부100: Vibration stability analysis device of the pipe
110: extraction unit
120: comparison unit
130: analysis unit
Claims (8)
상기 설계정보를 이용하여 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하는 비교부; 및
상기 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석하는 분석부;
를 포함하고,
상기 분석부는
하기 수학식 1에 기초하여, 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 큰 경우, 상기 배관의 진동상태가 불안정적인 것으로 분석하고,
상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 통일된 에너지 단위로서 비교하기 위한 스케일링 작업이 수행됨에 따라 도출되는 것을 특징으로 하는 배관의 진동 안정성 분석 장치.
[수학식 1]
α(kf/kpi) > 1, when 0 Hz < fi < 50 Hz
여기서, kf는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지이고, kpi는 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지이고, α는 보정계수를 의미함.
an extraction unit for extracting design information of a pipe;
a comparator for comparing the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe based on an allowable vibration threshold using the design information; and
an analysis unit for analyzing the vibration stability of the pipe based on the result of the comparison;
including,
The analysis unit
Based on Equation 1 below, when the kinetic energy due to the turbulence of the pipe is greater than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, it is analyzed that the vibration state of the pipe is unstable,
The apparatus for analyzing vibration stability of a pipe, characterized in that the kinetic energy required to vibrate the pipe is derived as a scaling operation is performed to compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe as a unitary energy unit.
[Equation 1]
α(k f /k pi ) > 1, when 0 Hz < f i < 50 Hz
Here, k f is the kinetic energy according to the turbulence of the pipe, k pi is the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, and α is the correction factor.
상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있고, 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 3으로 나타내는 것을 특징으로 하는 배관의 진동 안정성 분석 장치.
[수학식 2]
[수학식 3]
여기서, u'는 난류의 파동 속도의 제곱 평균이고, U는 상기 배관의 내부 유체의 축 방향 평균 속도이고, mf는 난류의 흐름에 따른 단위질량이고, Re는 레이놀즈 상수를 의미하고, ml은 상기 배관의 단위 길이 당 질량이고, ωi는 i번째 진동의 고유 진동 주파수이고, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, θi는 상기 배관의 진동에 따른 변위를 나타내도록 단위 표준화된 진동 벡터를 의미함.
According to claim 1,
Kinetic energy according to the turbulence of the pipe can be expressed by Equation 2 below, and the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold is expressed by Equation 3 below. Device.
[Equation 2]
[Equation 3]
Here, u' is the mean square of the wave velocity of the turbulent flow, U is the average axial velocity of the internal fluid of the pipe, m f is the unit mass according to the flow of the turbulent flow, Re is the Reynolds constant, and m l is the mass per unit length of the pipe, ω i is the natural oscillation frequency of the ith vibration, δ i is a scaling-dependent variable representing the allowable displacement according to the ith oscillation frequency, and θ i is the Means a unit-normalized vibration vector to represent displacement.
상기 설계정보를 이용하여 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지를 비교하는 단계; 및
상기 비교의 결과에 기초하여 배관의 진동 안정성을 분석하는 단계
를 포함하고,
상기 분석하는 단계는
하기 수학식 1에 기초하여, 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지가 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지보다 큰 경우, 상기 배관의 진동상태가 불안정적인 것으로 분석하고,
상기 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지와 통일된 에너지 단위로서 비교하기 위한 스케일링 작업이 수행됨에 따라 도출되는 것을 특징으로 하는 배관의 진동 안정성 분석 방법.
[수학식 1]
α(kf/kpi) > 1, when 0 Hz < fi < 50 Hz
여기서, kf는 상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지이고, kpi는 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지이고, α는 보정계수를 의미함.
extracting design information of the pipe;
comparing the kinetic energy according to the turbulence of the pipe with the kinetic energy required to vibrate the pipe based on an allowable vibration threshold using the design information; and
analyzing the vibration stability of the pipe based on the result of the comparison
including,
The analysis step is
Based on Equation 1 below, when the kinetic energy due to the turbulence of the pipe is greater than the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, it is analyzed that the vibration state of the pipe is unstable,
A method for analyzing vibration stability of a pipe, characterized in that the kinetic energy required to vibrate the pipe is derived as a scaling operation is performed to compare the kinetic energy according to the turbulence of the pipe as a unitary energy unit.
[Equation 1]
α(k f /k pi ) > 1, when 0 Hz < f i < 50 Hz
Here, k f is the kinetic energy according to the turbulence of the pipe, k pi is the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold, and α is the correction factor.
상기 배관의 난류에 따른 운동 에너지는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있고, 상기 허용 가능한 진동 임계치를 기준으로 배관을 진동시키기 위해 필요한 운동 에너지는 하기 수학식 3으로 나타내는 것을 특징으로 하는 배관의 진동 안정성 분석 방법.
[수학식 2]
[수학식 3]
여기서, u'는 난류의 파동 속도의 제곱 평균이고, U는 상기 배관의 내부 유체의 축 방향 평균 속도이고, mf는 난류의 흐름에 따른 단위질량이고, Re는 레이놀즈 상수를 의미하고, ml은 상기 배관의 단위 길이 당 질량이고, ωi는 i번째 진동의 고유 진동 주파수이고, δi는 i번째 진동 주파수에 따라 허용 가능한 변위를 나타내는 스케일링 종속 변수이고, θi는 상기 배관의 진동에 따른 변위를 나타내도록 단위 표준화된 진동 벡터를 의미함.6. The method of claim 5,
Kinetic energy according to the turbulence of the pipe can be expressed by Equation 2 below, and the kinetic energy required to vibrate the pipe based on the allowable vibration threshold is expressed by Equation 3 below. method.
[Equation 2]
[Equation 3]
Here, u' is the mean square of the wave velocity of the turbulent flow, U is the average axial velocity of the internal fluid of the pipe, m f is the unit mass according to the flow of the turbulent flow, Re is the Reynolds constant, and m l is the mass per unit length of the pipe, ω i is the natural oscillation frequency of the ith vibration, δ i is a scaling-dependent variable representing the allowable displacement according to the ith oscillation frequency, and θ i is the Means a unit-normalized vibration vector to represent displacement.
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